Geotechnische Probleme beim geplanten Braunkohletagebau

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1 Geotechnische Probleme beim geplanten Braunkohletagebau Welzow-Süd II www. greenpeace. de

2 Kein Geld von Industrie und Staat Greenpeace ist international, überparteilich und völlig unabhängig von Politik, Parteien und Industrie. Mit gewaltfreien Aktionen kämpft Greenpeace für den Schutz der Lebensgrundlagen. Mehr als eine halbe Million Menschen in Deutschland spenden an Greenpeace und gewährleisten damit unsere tägliche Arbeit zum Schutz der Umwelt. Die Studie wurde im Auftrag von Greenpeace durchgeführt von Dr. habil. Ralf E. Krupp Impressum Herausgeber Greenpeace e.v. Große Elbstr. 39, Hamburg, Tel. 040/ , Fax 040/ , Politische Vertretung Berlin Marienstr , Berlin, Tel. 030/ V.i.S.d.P.: Gerald Neubauer Gestaltung zimmermann und spiegel Titelfoto Gordon Welters/Greenpeace Stand 8/2012

3 Dr.habil. Ralf E. Krupp Flachsfeld Burgdorf Telefon: / ralf.krupp@cretaceous.de Geotechnische Probleme im Zusammenhang mit dem Braunkohlenplanverfahren Tagebau Welzow-Süd, Brandenburg und Sachsen. Kurzgutachten im Auftrag von Greenpeace e. V. Burgdorf, 22. August 2012 Dr. habil. Ralf E. Krupp 1

4 A. Einführung Nach den Planungen des Energieversorgers Vattenfall sollen in der Lausitz noch auf Jahrzehnte hinaus die Förderung und Verstromung von Braunkohle weitergeführt werden. Teil dieser Planungen ist die Erweiterung des Tagebaus Welzow-Süd im Teilabschnitt II * ), der vor allem die Versorgung des Kraftwerks Schwarze Pumpe in der Zeit ab ca bis 2040, mit einer projektierten Fördermenge von ca. 21 Mio. t/a sicherstellen soll (Vattenfall Europe Mining, 2007). Abbildung 1 Lage des Braunkohle-Tagebaus Welzow-Süd (rote Linie) mit seinem Teilabschnitt II (grüne Linie) und der Lausitzer Seenkette (Restloch-Kette). Grundlage: Google Earth *) Um Missverständnisse zu vermeiden, werden in diesem Kurzgutachten die in den diversen Antragsunterlagen eingeführten und verwendeten Bezeichnungen der verschiedenen räumlichen Braunkohlen-Abbaue verwendet. Die Verwendung dieser Begriffe erfolgt rein deskriptiv und stellt keine juristische oder sonstige Würdigung unterschiedlicher Auffassungen bezüglich der rechtlich-administrativen Eigenschaften (Tagebau-Erweiterung oder neuer Tagebau) dieser Abbaue dar. 2

5 Der Teilabschnitt II grenzt mit seiner Südflanke unmittelbar an die Bahnsdorf-Blunoer Rinne an. Diese eiszeitlich entstandene Rinne schneidet tief bis in die tertiären Schichten ein und ist hydraulisch mit den angrenzenden Grundwasserleitern verbunden. Vattenfall Europe Mining, 2007, S. 39: Aufgrund der geringen Distanz zwischen der künftigen Südmarkscheide des räumlichen TA II und den südwestlich gelegenen Restseen ist eine gegenseitige hydraulische Beeinflussung ohne Gegenmaßnahmen nicht zu vermeiden. Auch mit den südlich angrenzenden Restlochseen Sedlitz, Skado und Spreetal bestehen hydraulische Verbindungen. Um den Wasserandrang in den zu sümpfenden Tagebau-Teilabschnitt zu vermindern, hat der Betreiber damit begonnen, eine Dichtwand mit einer Gesamtlänge von 10,6 Kilometern zwischen dem Tagebau Welzow-Süd und den benachbarten Gewässern des Lausitzer Seenlands herzustellen. Die Art und Ausführung dieser Dichtwand ist auch von großer sicherheitlicher Bedeutung, zumal der Teilabschnitt II zum Teil bedenklich nahe an die bestehenden Restlochseen herangeführt werden soll, insbesondere im Bereich der Ortschaft Lieske und südlich Proschim. Dabei ist die Koinzidenz der Dichtwand mit der Bahnsdorf- Blunoer Rinne, einem leistungsfähigen Grundwasserleiter mit guter hydraulischer Durchlässigkeit, von besonderer Bedeutung. Das hier vorgestellte Kurzgutachten untersucht mögliche Gefahren, die sich aus der besonderen hydrogeologischen Situation entlang des Südwest-Randes der geplanten Tagebau-Erweiterung ergeben könnten und daher im Rahmen des Genehmigungsverfahrens geprüft werden müssten. Auftraggeber für das Gutachten ist Greenpeace e.v. 3

6 B. Geologischer Rahmen Lage Die nachfolgende Revierkarte (Abbildung 2) zeigt die Lage des Tagebaus Welzow-Süd in Relation zu den anderen Braunkohle-Tagebauen und Restlöchern, insbesondere den südlich davon gelegenen Lausitzer Seenkette. Abbildung 2 Lausitzer Braunkohlerevier, Stand 12/2010. Die Karte zeigt die noch aktiven Tagebaue einschließlich der genehmigten und geplanten Erweiterungsflächen, sowie frühere Tagebaue mit den gefluteten Restlöchern. DEBRIV (2010) 4

7 Abbildung 3 Geologische Strukturen im Bereich des Tagebaus Welzow-Süd. Das Kohlefeld wird von tief eingeschnittenen eiszeitlichen Rinnen begrenzt, in denen das Braunkohle führende Tertiär ausgeräumt worden ist. Der Lausitzer Hauptabbruch verläuft unterhalb der Erweiterungsfläche Teilabschnitt II. Das Gebiet ist auch intensiv durch NO-SW-streichende Verwerfungen gestört. (Nach Vattenfall Europe Mining, 2010; ergänzt vom Verfasser). Das Abbaugebiet mit dem Tagebau Welzow-Süd liegt nördlich des Lausitzer (Elbe-) Urstromtals und überwiegend nordöstlich des Lausitzer Hauptabbruchs (Abbildung 3). LMBV (2006): Der Lausitzer Hauptabbruch verläuft im Grenzbereich zwischen den Kohlefeldern Spreetal/ Bluno und Spreetal-Nordost. Das prätertiäre Gebirge der Hochscholle besteht aus Grauwacken, die nördlich gelegene Tiefscholle vorwiegend aus Buntsandstein und Muschelkalk. Darüber lagern ca. 110 bis 190 Meter mächtige tertiäre und quartäre Lockersedimente. Die tertiären Schichtenfolgen wurden teilweise durch endogen-tektonische Bewegungen und glaziale Beeinflussungen gestört und zum Teil vollständig erodiert. Es bildeten sich tiefreichende Rinnen mit quartären Sedimentfüllungen. Das Kohlenfeld Spreetal- Nordost wurde intensiv glazial gestört. 5

8 Tertiär Das Lausitzer Braunkohlerevier besteht aus mehreren Flözen die im Miozän (mittleres Tertiär) in küstennahen Kohlemooren unter den damals tropischen Bedingungen entstanden sind. Die südliche Küstenlinie der Paläo-Nordsee verlief zu dieser Zeit im Bereich des Lausitzer Hauptabbruchs (Goth und Suhr, 2007). Drebenstedt und Rascher (2012) schreiben: Im Oligo-/Miozän kam es zu mehrfachen Wechseln von marinen Ingressionen (Ablagerung mächtiger mariner Sande und Schluffe: Rupel-Folge, Cottbuser Folge, Briesker Folge), paralischen Vermoorungen (1. bis 4. Lausitzer Flözhorizont, Flöz Calau) und terrestrischen Schüttungen von Süden (Sande und helle Tone: Spremberger Folge, Raunoer Folge). Typisch für das Lausitzer Tertiärprofil ist deshalb die enge räumlich-zeitliche Verzahnung dieser Sedimente. ). Diese Prozesse führten zu der in Abbildung 4 dargestellten stratigraphischen Abfolge. Abbildung 4 - Lithostratigraphisches Richtprofil für das Tertiär des Niederlausitzer Tertiärgebiets. (Franke, 2012) 6

9 Im Tagebau Welzow-Süd wird das 6 bis 15 m mächtige 2. Lausitzer Hauptflöz abgebaut, welches hier in zwei Bänke mit einem sandigen Zwischenmittel aufgespalten ist. Quartär Mit dem Quartär setzte vor ca. 2,5 Mio. Jahren eine weltweite Kälteperiode ein. Im Vorfeld der aus Skandinavien heranrückenden Eismassen entstanden die etwa Ost-West verlaufenden Urstromtäler. Außerdem bildeten sich mehrere hundert Meter tief einschneidende, überwiegend von Nordosten nach Südwesten verlaufende subglaziale Rinnen, die als Tunneltäler unter dem Eis angelegt wurden und stellenweise das gesamte Tertiär ausgeräumt haben (Stackebrandt, 2009). Die mittelpleistozäne Elster-Vereisung reichte weit nach Süden bis in die Lausitz. Urstromtäler und glaziale Rinnen haben die ursprünglich weitgehend zusammenhängenden Kohleablagerungen in einzelne Felder zerschnitten. Der Kohlefelderkomplex ist vor allem im Nordteil (Niederlausitzer Grenzwall) in den Teilfeldern Steinitz und Welzow intensiv glazigen gestört. Hier verläuft die sogenannte Drebkauer Flözfaltenzone mit mehreren Großfalten bzw. Faltenschuppen im 2. Lausitzer Flözhorizont, die teilweise bis zur Rasensohle reichen. Die Tiefenreichweite der glazigenen Beanspruchung ist in diesem Bereich bis an die Basis der Briesker Formation in ca. 110 m Teufe nachgewiesen. Vattenfall Europe Mining (2010). Vergleiche Abbildung 5. Abbildung 5 Geologischer Schnitt im Bereich des Tagebaus Spreetal Nordost (Vgl. Revierkarte, Abbildung 2), im Nordosten mit stark gestörter Lagerung infolge Stauchung durch Elster-zeitliche Eismassen. Bild: Visuelle Lausitz (2008) 7

10 C. Dichtwandsysteme, Suffosion und Erosionsgrundbruch Herstellung und Eigenschaften von Dichtwänden Im Braunkohlebergbau werden seit einiger Zeit mit Erfolg Dichtwandsysteme erstellt, um den Wasserandrang in den Tagebauen zu reduzieren (Fahle et al., 1998). Das Wirkprinzip ist in folgender Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6 Prinzip der Dichtwand. Rechts der Dichtwand bleibt der Grundwasserspiegel weitgehend unberührt von der Grundwasserabsenkung. Links der Dichtwand kann der Grundwasserspiegel abgesenkt und der Tagebau über Filterbrunnen trocken gelegt werden. (Nach Fahle et al., 1998) Die Herstellung der Dichtwände erfolgt heute nach dem kontinuierlichen Schlitzfräse-Verfahren (Abbildung 7). Mithilfe einer speziellen Fräsmaschine wird ein bis 100 Meter tiefer und 1 Meter breiter Schlitz in den Boden gefräst. Als Stützsuspension wird eine Tonspülung mit einer Dichte von 1100 bis 1200 kg/m³ verwendet. Aus dem suspendierten Ton bildet sich beidseitig, von den Innenwänden des Erdschlitzes aus, eine undurchlässige Filterkruste (Infiltrationsschicht) von 5 bis 8 cm Dicke. Das ausgefräste Material wird mit Ton vermischt und abschnittsweise wieder in den Schlitz eingefüllt. Die Verfüllung muss abschnittsweise erfolgen, weshalb in gewissen Abständen Absperrwände aus verlorenen Betonplatten entlang ausgefräster Nuten in den Schlitz eingelassen werden (Vattenfall Europe Mining (2010); Fahle et al., 1998) (Siehe Abbildung 7). Die durchgängige Dichtwand vermindert, trotz ihrer geringen Dicke, den Wasserandrang in die zu sümpfenden Tagebaue erheblich. Geringe Leckagen, die lokal möglich erscheinen, haben auf die integrale Dichtwirkung des Bauwerks keinen großen Einfluss. Solche lokale Fehlstellen könnten beispielsweise an den Fugen der eingelassenen Absperrwand-Elemente auftreten (insbesondere wenn Sand oder Steine dazwischen geraten), an Stellen an denen die maximal 100 m tiefe Dichtwand an ihrer Basis nicht oder nicht vollständig in einen wasserundurchlässigen Tonhorizont einbindet, oder an Stellen, an denen aus der Schlitzwand Material ausgebrochen ist und eine hydraulische Brücke bildet. Im Fall hoher hydraulischer Gradienten quer zur Dichtwand und suffosionsgefährdeter (s.u.) Sedimentschichten muss jedoch mit der Möglichkeit von eskalierenden Wegsamkeiten durch die Dichtwand und die angrenzenden Sedimente gerechnet werden. 8

11 Abbildung 7 Schema der Herstellung einer kontinuierlichen Schlitzwand (Vattenfall Europe Mining (2010)). Auf Grundlage der bekannten stratigraphischen Abfolge (Vergleiche Abbildungen 4, 5 und 9) sind im unmittelbaren Liegenden des 2. Lausitzer Kohleflözes keine nennenswerten grundwasserstauenden Schichten zu erwarten. Insoweit stellt sich die Frage, in welchen grundwasserstauenden Horizont die Dichtwand an ihrer Basis überhaupt einbinden soll? In Vattenfall (2007) heißt es hierzu: Die Einbindung der Dichtwand erfolgt in einem Grundwasserstauer an der Basis der Unteren Briesker Folge. Ein wie in den Schemaskizzen und technischen Beschreibungen idealtypisch angenommener Ton als grundwasserstauende Erdschicht (Vgl. Abbildung 7) existiert in den stratigraphischen Profilen der realen Gesteinsabfolgen (Abbildungen 4, 5 und 9) jedenfalls nicht. Aus technischen Beschreibungen des derzeit leistungsfähigsten Schlitzfräsgeräts SFG-LW 120 (Fahle et al., 1998; Bätz, 2006) geht hervor, dass die maximale Arbeitstiefe 100 m beträgt. In geringeren Tiefen als 100 m ist im Verlauf der fraglichen Dichtwand das Vorkommen durchgängiger und ausreichend mächtiger Tonschichten jedenfalls nicht anzunehmen. Fahle et al. (1998) nennen jedoch ausdrücklich als eine der Grundvoraussetzungen zum erfolgreichen Einsatz von Dichtwänden die Existenz eines flächenhaft ausgebildeten GW-Stauhorizontes (Grundwassernichtleiter), in den die Dichtwand mindestens 2 m eingebunden werden kann und dessen Teufenlage 100 m nicht überschreitet. Wenngleich derzeit versucht wird die Dichtwand-Technologie für noch größere Bautiefen weiterzuentwickeln, dürfte die Grenze des technologisch Machbaren erreicht sein, zumindest in schwierigem Gebirge wie den pleistozänen Rinnenfüllungen. 9

12 Situation am Südwestrand des geplanten Teilabschnitts II Im Fall der Erweiterung des Tagebaus Welzow-Süd ist eine Situation zu erwarten, in welcher der Teilabschnitt II mit seiner Abgrabungsfläche sehr nahe (bis 500 m) an die südwestlich angrenzenden Restlochseen der Lausitzer Seenkette (Sedlitzer See, Partwitzer See/Tagebau Skado, Blunoer Südsee) herangeführt wird. Geologisch gesehen soll die Abgrabung bis an die eingeschnittene Bahnsdorf- Blunoer Rinne heran reichen (Abbildung 8). Grundsätzlich ist die sich bei Realisierung des Teilabschnitts II ergebende Situation mit einem Dammbauwerk oder Deich vergleichbar und muss auch entsprechend sicherheitlich geprüft und beurteilt werden. Eine solche Prüfung scheint aber, den hier vorliegenden Unterlagen zufolge, bislang weder beabsichtigt noch erfolgt zu sein. Es spielt dabei keine Rolle, dass dieser Damm nicht eigens gebaut (aufgeschüttet) wird. Im Gegenteil: Gegenüber einem technischen Dammbauwerk aus definierten Materialien und bestimmungsgemäßer Auslegung und Ausführung besteht der Naturdamm aus gewachsenem Boden mit einer ausgeprägten horizontalen Schichtung und aus heterogenem Material mit ungewissen Eigenschaften. Die eigens hergestellte Dichtwand verläuft innerhalb dieses Dammes. Geologisch betrachtet verläuft die Dichtwand innerhalb der Quartären Füllung der Bahnsdorf- Blunoer Rinne, ca. 50 Meter südwestlich der geplanten Abgrabungsgrenze (Gemeinsame Landesplanung (2011), Anlage 4). Die Situation ist in den nachfolgenden Abbildungen 8 und 9 dargestellt. Abbildung 8 Lage der Dichtwand (grüne Linie) zwischen Abgrabungsgrenze (schwarze Linie) und Sicherheitslinie (rot gestrichelt) entlang des nordöstlichen Randes der Bahnsdorf-Blunoer Rinne. (Nach Vattenfall Europe Mining, 2010; ergänzt vom Verfasser). 10

13 Abbildung 9 Geologisches Querprofil wie in Abb. 8 (blaue gestrichelte Linie) angezeigt. Ungefähre Lage der Dichtwand (grüne Linie) am Rand der Bahnsdorf-Blunoer Rinne. (Nach Vattenfall Europe Mining, 2010; ergänzt vom Verfasser). Nach Vattenfall Europe Mining (2010) kommt der NW-SE verlaufenden Bahnsdorf-Blunoer Rinne eine besondere Bedeutung zu: Sie bildet die natürliche südliche Begrenzung des Kohlenfeldes und grenzt andererseits unmittelbar an die Nordflanke der Lausitzer Seenkette. Insbesondere die ca. 30 m mächtigen rolligen Hangendsedimente der Rinne ermöglicht eine direkte hydraulische Kommunikation zwischen den Seen der Lausitzer Seenkette und den Entwässerungsanlagen im Tagebau Welzow-Süd. Seiner Zweckbestimmung entsprechend, wird das Dichtwandsystem innerhalb des Dammes wie eine unterirdische Staumauer auf das Grundwasser wirken und die Form der Sickerlinie stark beeinflussen: Südwestlich der Dichtwand wird sich der Grundwasserspiegel auf das Niveau des Blunoer Sees, Partwitzer Sees oder Sedlitzer Sees (ca bis +104 m NHN bei abgeschlossener Flutung) einstellen (Vattenfall Europe Mining, 2010). Nordöstlich der Dichtwand soll der Grundwasserspiegel nordwestlich des Ortes Lieske bis auf +38 m NHN abgesenkt werden (Gemeinsame Landesplanung (2011b)) (Siehe Abbildung 10). Die vertikale Dichtwand hat nur eine Dicke von 1 Meter, wobei die eigentliche dichtende Tonschicht nur aus den Filterkuchen von 5 bis 8 cm an beiden ehemaligen Schlitzwänden besteht (Vattenfall Europe Mining (2010); Fahle et al., 1998). Für die Dichtwand werden von denselben Autoren Durchlässigkeitsbeiwerte (kf-werte) von <10-9 m/s angegeben. Aus diesem Dichtwandaufbau ergibt sich ein extrem steiler hydraulischer Gradient von bis zu 63 m Wassersäule (6,3 bar) über die 1 Meter dicke Wand. Aufgrund dieser Druckdifferenz muss an durchlässigen Schwachstellen der Dichtwand mit Suffosionsvorgängen gerechnet werden, wenn die Filterregel von Terzaghi (s.u.) verletzt wird. Ein entsprechender Nachweis, dass dies unter allen Umständen auszuschließen ist, scheint nicht vorzuliegen. 11

14 Abbildung 10 Detail des Annäherungsbereichs zwischen der geplanten Tagebauerweiterung und dem Sedlitzer See bei der Ortschaft Lieske. (Ausschnitt aus Anlage 1.5, Gemeinsame Landesplanung, 2011) Hellblaue Linien: Grundwassergleichen (m NHN), prognostiziert für 2045 Dunkelblaue Linie: Uferlinie Sedlitzer See bei Zielwasserstand Rot gestrichelt: Sicherheitslinie Violett: Dichtwand Rote Linie mit Zacken: Abgrabungsrand 12

15 Erosion und Suffosion Unter Erosion versteht man die Umlagerung und den Transport fast aller Kornfraktionen eines Bodens infolge Wasserströmung. Man unterscheidet zwischen äußerer Erosion: Die Schleppkraft des an der Schichtoberfläche strömenden Wassers überwindet die rückhaltenden Kräfte der Bodenteilchen innere Erosion: Rückschreitende Erosion in bevorzugten Porenkanälen der Bodenschicht Kontakterosion: Von der Kontaktfläche zwischen feinkörnigen und grobkörnigen Schichten ausgehende Erosion. (GDA, 1997) Unter Suffosion versteht man die Umlagerung und den Transport feinkörniger Fraktionen im vorhandenen Porenraum eines nichtbindigen Lockergesteins durch den Sickerwasserströmungsdruck, ohne Zerstörung der Gerüststruktur (Ullrich, 2011). Bei der Suffosion werden nur die feinkörnigen Bestandteile eines Bodens ausgespült, während ein grobkörniges Korngerüst erhalten bleibt. Analog zur Erosion wird unterschieden zwischen äußerer Suffosion innerer Suffosion Kontaktsuffosion. (GDA, 1997) In Abbildung 11 werden die unterschiedenen Transportprozesse bildlich verdeutlicht: Abbildung 11 Formen von Erosion und Suffosion an der Sediment/Wasser-Grenze (a), innerhalb eines ungeschichteten Sediments (b), und am Kontakt zwischen feinkörnigen und grobkörnigen Sediment- bzw. Bodenkörpern (c). (Nach GDA, 1997) 13

16 Die Erosion kann also als Grenzfall der Suffosion verstanden werden, bei dem alle Korngrößen vom Strömungstransport erfasst werden. Suffosion kann zur Bildung bevorzugter hydraulischer Pfade ( Röhren ) führen und in einem fortgeschrittenen Stadium in Erosion übergehen. Die Voraussetzungen für Suffosion sind insbesondere bei sandig-kiesigen Sedimenten mit einem auswaschbaren Feinkornanteil gegeben, bzw. im Kontakt zwischen Sedimenten (Baumaterialien) mit stark unterschiedlichen Kornspektren. Sowohl von den eiszeitlichen Rinnenfüllungen, in denen die Dichtwand überwiegend errichtet wird, als auch von den Tertiären Meeressanden kann nicht ohne entsprechende Nachweise angenommen werden, dass sie gegenüber Suffosionsprozessen stabil sind. Dies gilt insbesondere für den Kontakt der Dichtwand mit den angrenzenden Sedimenten. Entsprechende Untersuchungen und ggf. Nachweisführungen werden meist auf Grundlage der Filterregel von Terzaghi oder der Formel nach Davidenkoff durchgeführt. Hydraulischer Grundbruch und Erosions-Grundbruch Es sei der Klarheit wegen an dieser Stelle nochmals betont, dass es hier nicht um die integrale Dichtwirkung der Dichtwand zur Verringerung des Grundwasserandrangs im Tagebau geht, sondern um Gefahren die sich im Fall lokaler Fehlstellen der Dichtwand aus dem hinter der Dichtwand aufgestauten Grundwasser (und letztlich den Wasserkörpern der Seenkette) ergeben. Insbesondere die Gefahren eines hydraulischen Grundbruchs oder hydraulischen Erosions-Grundbruchs wurden in den Antragsunterlagen offenbar nicht betrachtet und folglich von den Behörden auch nicht geprüft. Soweit hier bekannt, gibt es bisher auch keine Erfahrungen mit Dichtwänden in einer vergleichbaren Konstellation. Hydraulischer Grundbruch: Ein hydraulischer Grundbruch kann eintreten, wenn zu beiden Seiten einer Dichtwand unterschiedlich hohe Grundwasserspiegel vorliegen und die Dichtwand unterströmt wird. Auf der Seite mit hohem Grundwasserstand (hier die seewärtige Seite) ist die aus der Strömung resultierende Kraft (Strömungskraft) nach unten gerichtet, auf der anderen Seite (innerhalb des Tagebaus) nach oben. Wenn die vertikal nach oben gerichtete Strömungskraft größer als das effektive Gewicht des darüber liegenden Bodens wird, steigt der Porenwasserdruck soweit an, dass die Reibungskräfte zwischen den Körnern aufgehoben werden und die Tagebausohle instabil wird und aufbricht. (Weiter unten wird ein Beispiel aus dem ehemaligen Tagebau Spreetal-Bluno aufgezeigt.) Im Fall der geplanten Erweiterung des Tagebaus Welzow-Süd ist bei einem von unten auf die Tagebausohle wirkenden Überdruck von bis zu 6,3 bar unbedingt eine ingenieurgeologische Untersuchung und ggf. Nachweisführung der Grundbruch-Sicherheit erforderlich. Hydraulischer Erosionsgrundbruch: Definitionsgemäß (Wudtke & Witt, 2012) tritt ein Erosionsgrundbruch ein, wenn ein Partikeltransport, verursacht durch eine Strömung [Suffosion], an der freien Oberfläche einer Baugrubensohle initiiert wird. Entsprechend der Modellvorstellung tritt durch eine Verkürzung des Strömungsweges und dem einhergehenden lokalen Anstieg des hydraulischen Austrittsgradienten eine zunehmend beschleunigte Erosion entlang des Pfades der stärksten Strömung ein. Erreicht der Erosionskanal die Oberwasserseite, findet der Erosionsgrundbruch als großräumige Verflüssigung des Bodens statt und führt zum Kollaps der Konstruktion. 14

17 Übertragen auf die Situation an der hier relevanten Dichtwand ist die Gefahr eines Erosionsgrundbruchs abzuleiten, indem das Oberwasser dem Grundwasserkörper südwestlich der Dichtwand in der hydraulisch gut durchlässigen Bahnsdorf-Blunoer Rinne entspricht, der dort mit dem Wasserkörper des Sedlitzer Sees und benachbarter Seen der Lausitzer Seenkette kommuniziert (Vattenfall Europe Mining (2010). Die Strömungswiderstände der nur 50 Meter breiten vorgelagerten Tagebauböschung spielen hier keine wesentliche Rolle, weil diese selbst überwiegend aus gut durchlässigen Sanden besteht, deren Porenraum infolge der Sümpfung des Tagebaus leer ist. Da eine vollkommen Fehlstellen-freie Ausbildung der Dichtwand auf einer Gesamtlänge von über 10 km und einer Höhe von ca. 100 Meter nicht angenommen werden kann (s.o.), muss mit lokalen Durchsickerungen oder Unterströmungen der Dichtwand und mit Suffosionsprozessen an solchen Schwachstellen gerechnet werden. Selbst wenn keine Fehlstellen vorhanden wären, hätten alleine die beiden 5 bis 8 cm dünnen Toneinschlämmungen an den Seiten der Dichtwand hier für die Dauer des offenen Tagebaus die Druckdifferenz von bis zu 6,3 bar auszuhalten, und dies entlang der gesamten Fläche der Dichtwand. Suffosion und Erosion würden durch dynamische Anregungen im Erdreich begünstigt. Solche Erschütterungen wären aufgrund der Wirkungsweise der Schaufelradbagger ständig vorhanden. Hinzu kämen Erschütterungen durch Lastverkehr entlang der Dammkrone auf der Bundesstraße 156. Perzlmaier und Haselsteiner (2006) unterteilen den Vorgang des Erosionsgrundbruchs in vier aufeinander folgende Phasen: Der Erosionsbeginn fasst die Prozesse zusammen, durch die Bodenpartikel in Bewegung geraten können. Die Erosionsentwicklung bewertet, ob der Erosionsprozess z. B. durch Filterwirkung stoppt oder fortschreitet. Die Folgen eines kontinuierlichen Materialaustrages werden im Erosionsfortschritt, Bruch- und Versagensmechanismen in der Versagensphase zusammengefasst. Erosion würde an einer Fehlstelle der Dichtwand als Kontakt-Suffosion beginnen, durch Entfernung von Feinkorn bevorzugte Wegsamkeiten schaffen und dann in Form einer rückschreitenden Erosion eine Erosionsröhre bis ins Oberwasser ausbilden. Bei den sandig-kiesigen Lockergesteinen der eiszeitlichen Rinnenfüllung und den Tertiären Meeressand-Ablagerungen kann eine starke Filterwirkung auf ausgespülte Tonpartikel und damit eine Selbst-Verheilung durch innere Kolmation (Verstopfung der Poren) nicht angenommen werden, so dass der Erosionsprozess fortschreiten würde. Perzlmaier und Haselsteiner (2006) beschreiben das Versagen von Dammbauwerken wie folgt: Versagensformen, die durch hydrodynamische Bodendeformation eingeleitet werden, sind entweder hydraulischer oder geostatischer Art und unterscheiden sich in Ablauf und Dauer. Eine standfeste Erosionsröhre durch den Damm oder dessen Untergrund kann ohne Zusammenbruch des Schüttkörpers zu großen Leckageabflüssen führen. Das Versagen von Dichtungen mit resultierendem Anstieg der Sickerlinie im Stützkörper kann zu Böschungsbruch mit anschließender Überströmung und Breschenbildung führen. Sackungen oder Setzungen an der Krone können anfänglich zum Verlust des Freibordes und weiter zu Überströmung mit Breschenbildung führen. Ein Kollaps der Tagebauböschung mit der wahrscheinlichen Folge einer unmittelbar anschließenden Breschenbildung durch Erosion des verbliebenen Damms zu der Lausitzer Seenkette könnte möglicherweise eine katastrophale Flutwelle aus der Seenkette in den Tagebau Welzow-Süd auslösen, mit Gefahren für Leib und Leben der im Tagebau befindlichen Belegschaft, sowie Personen die sich entlang den Verkehrswegen auf der Dammkrone oder in den Ortschaften zwischen dem Tagebau und der Seenkette aufhalten. Infolge der schnellen Absenkung des Wasserspiegels in der Seenkette könnten auch dort Böschungs-Instabilitäten ausgelöst werden. 15

18 Konstruktiv könnte man der Gefahr eines Grundbruchs nur dadurch begegnen, dass man die Sicherheitszone zwischen Dichtwand und Abgrabungsrand deutlich (um einige hundert Meter) vergrößert. Eine Verdichtung des an die Dichtwand angrenzenden Bodens durch Injektions- Maßnahmen verbietet sich vermutlich aufgrund der Länge und Tiefe der Dichtwand und der hohen Kosten. Ein Verzicht auf die Dichtwand würde zwar zu einem flacheren hydraulischen Gradienten führen, aber eine sehr starke Zunahme des Grundwasserandrangs im Tagebau bewirken, den man ja durch den Dichtwandbau gerade vermeiden will. Da die Dichtwand bereits im Bau und großenteils fertiggestellt ist, erscheint nur eine deutliche tagebauseitige Ausweitung der Sicherheitszone zielführend. Exkurs: Bodenmechanische Probleme in Lausitzer und Mitteldeutschen Braunkohletagebauen Tatsächlich sind Erosion, Rutschungen, Grundbrüche, Setzungsfließen und ähnliche bodenmechanische Schadensfälle in Braunkohletagebauen an der Tagesordnung und gerade in jüngster Zeit Gegenstand von Beratungen und Fachtagungen (z.b. LBGR, 2011). Lausitzer Revier Abbildung 12 ist eine neuere Darstellung über Sperrgebiete im Lausitzer Revier, die aufgrund bodenmechanischer Gefahren festgesetzt und erweitert werden mussten. Auch im Vergleich mit der Revierkarte (Abbildung 2) vermittelt Abbildung 12 bereits einen Eindruck vom Ausmaß der betroffenen Gebiete. Abbildung 12 Übersicht geotechnischer Sperrbereiche (rot umrandet) im Lausitzer Braunkohlerevier, Stand 31. März, Quelle: LMBV (2011) 16

19 Im letzten Jahr ( ) waren im brandenburgischen Teil des Lausitzer Reviers insgesamt ha (216 km²), im sächsischen Teil ha (139 km²) geotechnische Sperrgebiete ausgewiesen, zusammen rund 355 km² (Freytag, 2011; LMBV, 2011). Im März 2012 kamen in Brandenburg weitere ha (86,3 km²), in Sachsen weitere ha (83,2 km²) hinzu (LMBV, 2012 a), so dass bis heute rund 524 km² gesperrt worden sind. Demgegenüber fallen wieder frei gegebene Flächen bisher kaum ins Gewicht. Auch die in Abbildung 13 reproduzierte Auflistung von Rutschungen und Grundbrüchen im Lausitzer Revier über einen Zeitraum von 15 Jahren macht das Ausmaß bodenmechanischer Risiken und die Häufigkeit von Ereignissen deutlich. Leider waren auch bereits Menschenleben zu beklagen. Die finanziellen Kosten werden zwischen Bund und den Bergbau-Ländern Brandenburg und Sachsen geteilt. Zur Sanierung haben der Bund und die Braunkohleländer seit 1990 fast 10 Milliarden Euro in die größte Landschaftsbaustelle Europas investiert. (Lausitzer Rundschau, 2011; LMBV, 2012 b) Abbildung 13 Rutschungen und Grundbrüche. Quelle: Freytag (2011) 17

20 Abbildungen 14 und 15 geben einen visuellen Eindruck zweier jüngerer Schadensfälle in der Nähe von Welzow-Süd. Abbildung 14 Rutschungen von 12 Hektar Wald und Grünland am 6. Mai 1998, Koschendamm. Das Setzungsfließen als eine typische Lausitzer Rutschungsart wird ohne vorherige Rutschungsanzeichen plötzlich ausgelöst und erfasst dabei große Böschungsbereiche bis tief in das Böschungshinterland. Die Setzungsfließen kündigen sich nicht an, sie entwickeln sich ausgehend vom Ufersaum mit hoher Geschwindigkeit rückwärts, laufen in wenigen Minuten ab und erfassen oftmals mehrere hundert Meter des angrenzenden Hinterlandes. (LMBV (2001)) 18

21 Abbildung 15 (a,b) Grundbruch an der Düne Süd in Spreetal-Bluno (Sabrodt) vom Geländeabsenkungen bis zu 16 m, bei Horizontalbewegungen von m. Fläche 110 Hektar. Gesamtvolumen von 4,5 Mio. m³ (Dennhardt, 2011; Wichter, 2011) 19

22 Nachterstedt (Sachsen-Anhalt) Der Böschungsbruch von Nachterstedt (Abbildung 16) vom kostete drei Menschenleben. Gegen 04:50 Uhr rutschte ein großer Teil der Südböschung (ca. 350 m mal 120 m, ca. 1,5 Mill. m³) des in Flutung befindlichen ehemaligen Tagebaus Nachterstedt ( Concordia See ) scheinbar innerhalb weniger Sekunden in das Tagebaurestloch. Das Nachterstedter Böschungssystem bestand aus der Hochkippe außerhalb und aus Stützanschüttungen (Stützkippen) innerhalb des Tagebaus. Die Hochkippe wurde zwischen 1920 und 1930 bebaut und es entstand die Siedlung Am Ring. Teile dieser Siedlung wurden von dem Böschungsbruch erfasst. Der abgerutschte Bereich war aus der Bergaufsicht bereits entlassen und demzufolge bergbehördlich als sicher eingestuft. Der unmittelbare Bereich um die Wohnsiedlung Am Ring wurde von der Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau- Verwaltungsgesellschaft mbh (LMBV) für eine weitere Wohnbebauung ausgewiesen, die unmittelbar bevor stand. (Lersow, 2012) Dieses Beispiel macht sehr deutlich, wie die geotechnischen Gefahren des Braunkohlebergbaus immer wieder unterschätzt werden. Abbildung 16 Böschungsbruch von Nachterstedt unterhalb der Siedlung Am Ring. Die Siedlung steht auf der alten Außenkippe des Braunkohle-Tagebaus. Vor der (ehemaligen) Böschung befanden sich angeschüttete Stützkippen, die offenbar in dem aufgehenden Wasserkörper durch Bodenverflüssigung und Setzungsfließen instabil wurden und in das Restloch abrutschten. Dadurch hat die obere Böschung ihr Widerlager verloren und ist in Form eines Böschungsbruchs abgegangen. (Bild: Lersow, 2012). 20

23 Schlussfolgerungen 1. Die Dichtwand am SW-Rand der Tagebauerweiterung wird hauptsächlich innerhalb der Bahnsdorf-Blunoer Rinne hergestellt, deren glaziale Sedimentfüllung als leistungsfähiger Grundwasserleiter fungiert und hydraulisch an die Lausitzer Seenkette angeschlossen ist. 2. Entsprechend ihrer vorgesehenen Funktion wird die Dichtwand einen hohen hydraulischen Gradienten hin zum Tagebau Welzow-Süd erzeugen. Über die 1 m dicke Dichtwand hinweg kann der Gradient an der kritischsten Stelle beim Ort Lieske bis auf 6,3 bar/m ansteigen. 3. Auf Grundlage der hier vorliegenden Unterlagen bestehen Zweifel, dass die bereits im Bau befindliche Dichtwand auf ihrer vollen Länge in eine geeignete grundwasserstauende Tonschicht einbindet. Hierdurch besteht die Gefahr der Unterströmung. Es scheinen keine Berechnungen vorzuliegen, ob die Böschungs-Profilierungen ausreichend auf der sicheren Seite liegen, um einen durch Unterströmung denkbaren hydraulischen Grundbruch ausschließen zu können. 4. Da die Dichtwand nicht frei von Fehlstellen sein wird, kann es aufgrund der hohen Druckdifferenzen lokal zur Kontakt-Suffosion und Kontakt-Erosion kommen. Im ungünstigen Fall kann dieser Vorgang möglicherweise in einen eskalierenden rückschreitenden Erosionsprozess übergehen, der zum Erosions-Grundbruch führt. Als Folge kann es zu einer Breschenbildung in der Krone des Damms zwischen Seenkette und Tagebau, also zum Dammbruch kommen. Wegen des an die glazialen Rinnenfüllungen hydraulisch angebundenen, sehr großen Wasserreservoirs der Lausitzer Seenkette wird ein solcher Versagensfall als potentiell sehr gefährlich eingeschätzt. Auch für dieses Szenario scheinen keine Untersuchungen und Berechnungen erfolgt zu sein. 5. Erosionserscheinungen, Rutschungen, Grundbrüche, Setzungsfließen und ähnliche bodenmechanische Schadensfälle sind in Braunkohletagebauen an der Tagesordnung, insbesondere im Lausitzer Revier, aber auch im Mitteldeutschen Revier. Es kam bereits mehrfach zu Todesfällen und die geotechnisch gefährdeten und damit nicht mehr nutzbaren Gebiete umfassen mehrere hundert Quadratkilometer. Die geotechnischen Risiken von Braunkohletagebauen scheinen häufig unterschätzt zu werden. 21

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